地铁盾构隧道结构的纵向裂缝扩展规律及其失效机理研究

It is abundantly recorded that the cracking and damage of segmented lining has become one of the most common diseases of metro shield tunnels, and the longitudinal crack has the greatest impact on the performance of shield tunnel segmented lining. A lot of research has been done on the repair and strengthening of largely deformed and damaged segmented lining. In this project, aim to realize the safety assessment of shield tunnel segmented lining with existing longitudinal cracks, 1g model tests and multi-scale expanded finite element methods will be conducted to capture the propagation law of longitudinal cracks, and investigate its relationship with the final structural failure mode, to finally reveal the inherent failure mechanism of shield tunnel structure with existing longitudinal cracks. This project will establish a theoretical calculation model of shield tunnel segmented lining with existing longitudinal cracks, and put forward a measurable early-warning indicator of structural failure and evaluation parameters of structural safety. The outcome of this project will provide theoretical fundamentals and technical supports for the damage perception, evaluation, maintenance and repair of shield tunnels. Therefore, this project will have significant impact on both theoretical development and practical engineering.

据统计，管片结构裂损已成为地铁盾构隧道的常见病害之一，其中纵向裂缝对隧道结构整体性能影响最大。目前，相关研究主要集中在对大变形和裂损管片结构的修复和加固方面。本项目以实现对含纵向裂缝盾构隧道结构的安全性评估为目标，拟通过室内相似模型试验和多尺度扩展有限元数值模拟方法，对盾构隧道的纵向裂缝扩展规律及其与结构整体失稳破坏模式的联系进行研究，揭示含纵向裂缝盾构隧道结构的内在失效机理；通过建立理论计算模型，研究含纵向裂缝结构与完整结构在安全性控制因素方面的根本性差别，提出易于量测的结构整体失稳预警指标和安全性评价参数。研究成果将为盾构隧道的损伤感知、评估、维护、修复和加固提供理论基础与技术支撑，具有重要的理论和实际应用价值。

因受周边地块开发等建设活动影响，地铁盾构隧道出现大变形、开裂、掉块等损伤的现象屡见不鲜。目前，需要对隧道管片结构采取洞内外地层注浆、碳纤维或粘贴钢板结构补强等方式加固的指标和标准仍然不够明确，常见的指标有纵向不均匀沉降、横向变形程度（以椭圆度为横向变形特征值）、纵向裂缝发展情况（宽度、长度以及变化趋势等）。本项目通过开展相似比为1:20的地铁盾构隧道无侧限和含侧限时的单调加载结构试验，对盾构隧道横向变形及受力性能、裂损扩展至破坏等失效机理进行研究，绘制了横向刚度有效率η随椭圆度的变化曲线以及简化图；采用扩展有限元法对管片结构裂缝扩展过程、变形及承载性能进行了模拟和对比分析；采用基于OFDR技术的分布式光纤测试系统开展了钢筋混凝土构件裂缝识别与监测技术研究，并对单调加载及低周循环荷载两种工况下的裂缝识别差异进行了对比，指出了利用分布式光纤技术开展混凝土裂缝识别时，在低荷载水平时的先进性以及高荷载水平时的局限性，并提出了相应的裂缝宽度计算方法；基于地层-结构法开展了排管结构（上下或左右排列）的破坏性试验，通过对荷载-位移曲线、结构破坏形态、下卧土层压力、混凝土应变及钢筋受力、HDPE保护管变形等分析，并考虑到安全性和方便性，提出将HDPE保护管的应力和变形率、纵向不均匀作为电缆排管的监测指标和控制标准。本项目结合室内模型试验、基于分布式光纤技术的裂缝识别与计算方法以及扩展有限元数值模拟分析等手段，研究了盾构隧道结构的变形、破坏和失效机理，提出了排管结构的监测指标和控制标准，将为盾构隧道等地下结构的监测、结构预警和修复加固提供参考和理论依据。